Явление туннельного эффекта и методы сканирующей зондовой микроскопии
Как демонстрируют фундаментальные и прикладные современные исследования, квантовые эффекты активно используются в ряде передовых технологий, при том что они проявляются на уровне атомных систем. Квантовая механика стала в значительной мере «инженерной» наукой, знание которой необходимо и физикам-исследователям, и инженерам. Законы квантовой механики позволяют изучать и объяснять свойства атомов и молекул, а также разнообразных макроскопических систем, таких как жидкости, плазма, твердые тела. Специфические явления квантовой механики не имеют аналогов в классической механике и используются при поиске и создании новых материалов, в том числе магнитных, сверхпроводящих и наноструктурированных.
Туннельное прохождение микрочастиц сквозь потенциальный барьер лежит в основе многих явлений физики твердого тела (явления в контактном слое на границе двух полупроводников, эффект Джозефсона и т.д.), а также атомной и ядерной физики (альфа-распад, спонтанное деление атомных ядер, протекание термоядерных реакций, например, на Солнце и звездах при температуре в десятки и сотни миллионов градусов). Данный эффект используется в сверхчувствительных записывающих головках магнитных дисков, приборах ядерной физики, сканирующих зондовых микроскопах и т.д.
Примером прибора, основанного на использовании явления туннельного эффекта, является сканирующий туннельный микроскоп, созданный в 1982 г. Г. Биннигом и X. Рёрером (Нобелевская премия, 1986 г.). С середины 1990-х гг. метод туннельной микроскопии завоевал большую популярность как альтернатива электронным микроскопам. Принцип работы сканирующих туннельных микроскопов заключается в сканировании тонким металлическим острием — зондом — поверхности образца (твердого электропроводящего тела, органической пленки или биологической структуры) на расстоянии 3—10 А. Чтобы исследовать тонкие диэлектрики (в виде пленки), их помешают на поверхность проводящего материала. При приложении между образцом и зондом разности потенциалов ?/-0,1 — 1 В в цепи появляется ток, обусловленный туннелированием электронов через зазор между ними. Поскольку вероятность туннелирования через потенциальный барьер экспоненциально зависит от ширины барьера (см. формулу (26.33)), то при уменьшении зазора между зондом и образцом всего на 0,1 нм ток возрастает примерно в 10 раз. Таким образом, измерение туннельного тока между острием и образцом позволяет определить профиль исследуемой поверхности в зависимости от координат (рис. 26.12, а). Разрешающая способность микроскопа по х, у достигает 1 А, а по z — порядка 0,01 А. Микроскоп может также работать в режиме туннельной спектроскопии и снимать вольт-амперные характеристики точек поверхности.
Среди областей применения сканирующего туннельного микроскопа выделяют исследования атомного строения поверхностей металлических, сверхпроводящих и полупроводниковых структур, технологические исследования в области микроэлектроники и нанотехнологий и т.д. В настоящий момент достаточно широко используются криогенные туннельные микроскопы. Предварительное охлаждение материала до азотных температур позволяет получать за счет увеличения проводимости образца на порядок более качественные изображения поверхностей, особенно с разрешениями на уровне единиц нанометров и больше.
Рис. 26.12. Результаты исследований, выполненных с помощью приборов, основанных на использовании явления туннельного эффекта: а — профиль поверхности кристалла AlGaAs (сканирующий туннельный микроскоп) (Gleiter, 2000); б — ЗО-изображение топографии поверхности фольги сплава А1—Fe (атомно-силовой микроскоп); в, г — 20-изображение топографии поверхности (б) и соответствующая диаграмма распределения неровностей вдоль выделенной линии (в) (Ташлыкова-Бушкевич, Козак, 2008)
На базе сканирующего туннельного микроскопа был создан сканирующий атомно-силовой микроскоп (1986), который позволяет исследовать и непроводящие вещества, магнитно-силовой микроскоп (1987), дающий возможность изучать магнитные свойства поверхности, и др. Принцип работы атомно-силового микроскопа основан на зависимости силы взаимодействия тел от расстояния между ними. Поэтому в данном приборе измеряемой физической величиной являются силы взаимодействия между атомами, величина которых определяется шероховатостью конкретного участка поверхности в точке измерения. Режим работы микроскопа, называемый контактным, позволяет измерять с разрешением в доли нанометра не только рельеф (рис. 26.12, б, в), но и силы трения, а также упругость и вязкость исследуемого образца. Например, экспериментально измеренная шероховатость поверхности фольги сплава системы А1—Fe составляет в среднем 49,0 нм (рис. 26.12, г).
